THU HỒI SẢN PHẨM TRONG HỒ SẢ PHẨ CÁC QUÁ TRÌNH ỨNG DỤNG DỤ CƠNG NGHỆ SINH HỌC - CƠNG NGHỆ HỌ NGHỆ THỰ PHẨ NGHỆ THỰC PHẨM TS VŨ HỒNG THẮNG HỒ THẮ Bộ môn CN Lên men, Trường ĐHBK Hà Nội men Tài liệu tham khảo liệ khả - Product recovery in bioprocess technology Butterworth – Heinemann Ltd., Oxford, UK, 1992 - Dorfner, K., (Ed.) Ion exchangers, Walter de Gruyter, New York, USA, 1991 - Winkler, M.A (Ed) Problems in downstream processing In “Chemical Engineering problem in Biotechnology”, Elsevier Science Publishers, 1990 Biotechnology , - Baker, R W et al., (Eds.) Membrane separation systems: recent developments and future directions, Noyes Data Corporation, New Jersey, USA USA - Subramanian, G., (Ed.) Bioseparation and Bioprocessing, vol I, pp – 39, Wiley-VCH, Weinheim, 1998 - Hong-Thang VU Strategies for separation of low molecular weight substances from renewable resources Dissertation, Universität für Bodenkultur Wien, 2005 - Dale, B E ‘Greening’ the chemical industry: research and development priorities for biobased industrial products Journal of Chemical Technology and Biotechnology 78, 1093 – 1103, 2003 - Keller, K., Friedmann, T & Boxman, A The bioseparation needs for tomorrow Trends in Biotechnology 19, 438 – 441, 2001 TÓM TẮT NỘI DUNG TẮ NỘ Chương Vai trò thu hồi sản phẩm q trình ứng dụng CNSH Chương Tính chất dịch lên men Chương Giải phóng sản phẩm nội bào Chương Phân tách lỏng-rắn Chương Thu hồi sản phẩm dạng thô Chương Tinh chế sản phẩm Chương Kết hợp trực tiếp trình CNSH trình thu hồi sản phẩm Một số điểm chủ yếu công nghệ thu hồi sản phẩm t ả hẩ CNSH Sản hẩ Sả phẩm t ì h sản xuất sử d ủ á trình ả ất dụng CNSH th tồ t i thường tồn nồng độ loãng hỗn hợp phức tạp Thu hồi sản phẩm (downstream processing) từ hỗn hợp trình nâng cao nồng p g p q g g độ tinh chế chất mong muốn Thu hồi sản phẩm phụ thuộc lớn vào chất sản phẩm quy phẩm, mô thị trường, giá trị bán thị trường sản phẩm tiêu chuẩn kỹ thuật sản phẩm Trong thực tế, vấn đề kinh tế định liệu trình sản xuất/thu hồi thực quy mô công nghiệp hay không không Trong sản xuất công nghiệp, quy mơ sản xuất tăng tính kinh tế phương pháp thu hồi sản phẩm trở nên đặc biệt quan trọng Trong thực tế giá thành thu hồi sản phẩm thường chiếm ế ẩ ế 50% giá thành sản phẩm cuối Vai trị thu hồi sản phẩm q trình ứng dụng CNSH Sự hâ S phân mảng thị trường sản phẩm CNSH ả hị ả hẩ công nghiệp Tính chất phân tử sinh học Tính chất trình sản xuất CNSH ấ ấ Các phương pháp thu hồi sản phẩm truyền thống đại SỰ PHÂN MẢNG THỊ TRƯỜNG CÁC SẢN PHẨM CNSH - Trong CNSH, khái niệm thu hồi tinh chế sản phẩm khác tùy thuộc vào thị trường khác p , g ị - Tính chất sản phẩm, giá bán nhu cầu thị trường đa số sản phẩm xác định giá trị gia tăng sản phẩm hay lợi nhuận khác nhiều - Sự phân mảng thị trường dựa độ lớn thị trường giá bán sản phẩm SỰ PHÂN MẢNG THỊ TRƯỜNG CÁC SẢN PHẨM CNSH - - - Khu vực 1: Các sản phẩm protein sử dụng để bào chế dược phẩm, ví dụ factor VIII hay urokinase Khu vực 2: Các enzyme chẩn đoán bệnh loại kháng thể monoclonal Các ví dụ tiêu biểu h dòng ả hẩ biể cho dò sản phẩm insulin, glycerophosphate dehydrogenase, lutiferase, Khu vực 3: Các loại sản phẩm sản xuất với khối lượng lớn (bulk products) bao gồm loại kháng sinh, protease, amylase, axit hữu (lactic, acetic, citric, vv), acetic citric vv) dung môi hữu (ethanol, butanol, vv) Sự liên quan tính chất q trình giữ chấ củ CNSH với thị trường sản phẩm CNSH vớ thị trường sả phẩ Tính chất chấ Khu vực vự Khu vực vự Khu vực vự Nhu cầu cầ 0.1 – 102 kg/năm 103 – 105 kg/năm 106 – 109 kg/năm Loạ tế Loại tế bào recombinantrecombinantDNA partly recombinantrecombinantDNA chủ giố tự chủng giống tự nhiên Độ tinh khiết khiế cao cao/rất cao cao/rấ tương đối thấp ương đố thấ Hiệ suấ Hiệu suất thu hồi hồ tầm quan trọng trọ thứ thứ yếu quan trọng trọ đặc biệt quan biệ trọ trọng Tỷ lệ cấu thành giá sản phẩm sả phẩ phần nhỏ phầ nhỏ 2020-50% tùy thuộc thuộ nguyên liệu liệ 5050-90% tùy thuộc thuộ nguyên liệu liệ Công nghệ nghệ sắc ký lực; điện lự điệ di điều chế điề chế sắc ký hấp phụ, hấ phụ màng lọc lọ lọc chiết, hấp phụ, c, chiết hấ phụ kết tủa, bay hơi, tủ hơ màng Đặc tính sản phẩm có nguồn gốc sinh học củ sả phẩ nguồ gố họ (1) Các phân tử sinh học khác nhiều chất nên p gp p g phương pháp thu hồi khác PTL thay đổi từ 60 đến 2.000.000; tính chất phụ thuộc nhiều vào yếu tố khác pH, nhiệt độ, lực ion, ề ế ố dung môi sử dụng, etc Quá trình tách tinh chế phân tử có nguồn gốc sinh học chủ yếu dựa vào tính chất chủ yếu PTL, điện tích, tính hiếu nước/kị nước, cấu trúc phân tử, etc , / ị , p , Đặc tính sản phẩm có nguồn gốc sinh học: củ sả phẩ nguồ gố họ Độ hị tan hịa Tính Tí h tan sản phẩm có ả h h quan trọng đế q trình ủ ả hẩ ó ảnh hưởng đến á ì h thu hồi sản phẩm Nó định phương pháp thu hồi áp dụng Dung dịch có nồng độ chất hịa tan cao có độ nhớt áp suất thẩm thấu lớn Những chất có độ hịa tan thấp dễ gây vấn đề thu hồi ấ ấ ễ ấ ề sản phẩm tính dễ kết tinh Thu hồi tinh chế sản phẩm từ dung dịch có nồng độ chất hịa tan cao thường có hiệu kinh tế nhiều vấn đề phức tạp kỹ thuật tăng lên Ví dụ phân tách sắc ký, nguyên liệu đầu vào có nồng độ cao chất cần phân tách có hiệu mặt kinh tế độ nhớt dung dịch có nồng độ cao tăng lên lượng tiêu tốn cho trình bơm tăng theo Phương Phương pháp phá hủy tế bào máy nghiền bi hủ tế bằ nghiề - ZrO2 alloy inside cylinder and grinding disc is suitable for products that cannot contain metal particles - Motor power (kW): 5 – 37 5.5 - Grinding chamber (L): – 50 - M i shaft speed ( Main h f d (rpm): 750 – 1800 ) - Cooling water consumption (m3/h): 1.0 – 2.4 - Air supply pressure(Mpa): 0.4 - 0.6 - Fineness (µm): – 20 - Grinding medium beads: Glass beads, ZrO2 - Dia (mm): 0.8 - 1.6 Các yếu tố ảnh hưởng đến phá hủy tế bào yế tố hưởng đế hủ tế máy nghiền bi nghiề Loạ Loại vi sinh vật sử dung: vậ sử - Độ dày thành phần thành tế bà dà hà h phầ hà h tế bào; hầ h - Kích thước tế bào thước tế Vị trí sản phẩm tế bào sả phẩ tế - cytoplasm tế - quan tế bào (cell organelles) - periplasmic Loạ nghiề Lo L ại máy nghiền: hiề hi - đường kính bi nghiền ường nghiề - loại cánh khuấy loạ khuấ - lượng bi cho vào ượng - tốc độ qua cánh khuấy độ củ khuấ Các yếu tố khác: thời gian lưu dịch tế bào máy, nồng độ tế yế tố thờ lư củ dị tế nồ độ bào, nhiệt độ nhiệ độ Động học phá hủy tế bào máy nghiền bi họ hủ tế bằ nghiề Trong điều kiện cố định, tốc độ giải phóng sản phẩm từ vi sinh vật Cr điề kiệ h giả hó i phẩ h i i h tỉ lệ với nồng độ tế bào bị phá hủy Tốc độ giải phóng sản phẩm giả phẩ dCr/dt tỉ lệ với nồng độ sản phẩm chưa giải phóng (Crmax phẩ chư ược giả – Cr): dC r = K b ( C rmax − C r ) dt Cr = C max r (1 − exp(−Kbt) ( Kb số loại máy nghiền, xác định thực loạ nghiề ược thự nghiệ nghiệm phụ thuộc chủ yếu vào loại cánh khuấy, kích thước bi phụ thuộ chủ loạ khuấ thước nghiền, ượng nghiền lượng bi cho vào tốc độ cánh khuấy nhiệt độ vào, khuấ nhiệ Crmax lượng sản phẩm tối đa đạt xác định ượng phẩ thể ược ược thự nghiệ thực nghiệm hiệ hi Ví dụ: Phá hủy tế bào nấm men loại cánh khuấy khác h kh ấ Phương pháp phá hủy tế bào máy đồng hóa Các yếu tố ảnh hưởng đến phá hủy tế bào yế tố hưởng đế hủ tế máy đồng hóa đồ Loạ Loại vi sinh vật sử dụng: vậ sử - Độ dày thành phần thành tế bào; phầ tế - Kích thước tế bào thước tế bào Vị trí sản phẩm tế bào: sả phẩ tế - cytoplasm; - quan tế bào (cell organelles); tế - periplasmic periplasmic Loạ Loại máy đồng hóa: y đồ g - áp suất; suấ - loại van; loạ - nhiệt độ; nhiệ độ hiệ hi - số lượng khe thoát dịch ượng dị Động học phá hủy tế bào máy đồng hóa họ hủ tế bằ đồ Trong điều kiện cố định, tốc độ giải phóng chất khỏi tế bà điề kiệ cố h tố độ giả hó i chấ khỏ tế bào ó thể hấ h hể h biểu diễn phương trình: ược biể diễ bở phương C rmax ln max = K h f (Δp ) N Cr − Cr C r = C rmax (1 − exp( − K h f ( Δp ) N ) - F hàm biểu diễn chênh lệch áp suất nói chung biể diễ lệ suấ xác định thực nghiệm đa số trường hợp nấm men, đị bằ thự nghiệ số trường hợ nấ vi khuẩn thi f có giá trị Δp 2,9 khuẩ g trị - N số lượng khe thoát dịch số ượng dị Phương Phương trình thực nghiệm biểu diễn tốc độ giải phóng chất thự nghiệ biể diễ độ giả chấ khỏ tế khỏi tế bào nấm men vi khuẩn biểu diễn sau: nấ khuẩ thể biể diễ C r = C rmax (1 − exp( − K h Δp 2,9 N ) Ví dụ: Sự giải phóng sản phẩm khỏi tế bào nấm men phụ thuộc dụ Sự giả sả phẩ khỏ tế nấ phụ thuộ vào số lượng khe thoát dịch áp suất số ượng dị suấ What factors must be considered when selecting a homogeniser? Flow rate: what processing flow rate is required for the machine? p g q Operating pressure: what homogenising pressure produces the desired results? What is the maximum operating pressure needed for the homogeniser? Operating temperature: what is the maximum temperature of the liquid when it enters the homogeniser? Temperatures greater than 104° C may require a special machine design design What is the physical nature of the product? Viscosity: this helps in the selection of the pump design Presence of undissolved solids This could affect pumping P f di l d lid Thi ld ff t i Size of the solid particles This could affect pumping Hardness of the particles: may necessitate wear resistant materials Presence of fl f flammable li id this will require explosion proof electrical bl liquids: hi ill i l i f l i l components Aseptic conditions for the product: a special pump design would be needed Environmental concerns if the product is released into the area around the machine: this would require a special pump design The laboratory homogeniser NS2002H TWIN PANDA is y g available at 400bar and 55L/h or 600bar and 30L/h The high-pressure model NS5180H homogeniser has a highmonomono-block design and is a five-piston machine with a design, fivecapacity of 36.000L/h at 150bar Phá hủy tế bào phương pháp sốc nhiệt hủ tế bằ phương số nhiệ Sốc nhiệt phương pháp phổ b ế tương đố rẻ ố h h há ấ hổ biến ì ó đối dễ thực Tuy nhiên sử dụng sản phẩm chịu sốc nhiệt Sốc nhiệt làm thành tế bào vi sinh nhiệt vật bị phá hủy sản phẩm giữ hoạt tính Hiệu trình phá hủy phụ thuộc vào pH, lực ion, có mặt chất làm bền thành tế bào Mg2+, ự ặ b b g EDTA Hiệu suất thu hồi sản phẩm thông thường 60 – 80% Phá hủy tế bào phương pháp enzyme hủ tế bằ phương Một số enzyme có kh phá h thành tế bà Ví d ố ó khả há hủy hà h ế bào í dụ lysozyme thủy phân lớp murein thành tế bào vi khuẩn khuẩn Glucanase, protease mannase thường dùng để phá ,p g ợ g p hủy thành tế bào nấm men Hiệu phương pháp phụ thuộc nhiều vào pH, nhiệt i h há h h hiề hi độ ion kim loại dịch lên men Ưu điểm phương pháp tiêu tốn lượng, p phản ứng đặc hiệu, khơng phá hủy sản phẩm không gây g ặ ệ , gp y p gg y ảnh hưởng đến môi trường Tóm tắt chương 3: Những điểm cần lưu ý tắ chương Nhữ g điể cầ lư g Phá hủy tế bào phương pháp học hủ tế b bằ phương p phi học sử dụng từ quy mô nhỏ đến sử g từ q nhỏ quy mô công nghiệp nghiệ ... sản phẩm nội bào Chương Phân tách lỏng-rắn Chương Thu hồi sản phẩm dạng thô Chương Tinh chế sản phẩm Chương Kết hợp trực tiếp trình CNSH trình thu hồi sản phẩm Một số điểm chủ yếu công nghệ thu. .. Thu hồi sản phẩm phụ thu? ??c lớn vào chất sản phẩm quy phẩm, mô thị trường, giá trị bán thị trường sản phẩm tiêu chuẩn kỹ thu? ??t sản phẩm Trong thực tế, vấn đề kinh tế định liệu trình sản xuất /thu. .. phân tử sinh học Tính chất q trình sản xuất CNSH ấ ấ Các phương pháp thu hồi sản phẩm truyền thống đại SỰ PHÂN MẢNG THỊ TRƯỜNG CÁC SẢN PHẨM CNSH - Trong CNSH, khái niệm thu hồi tinh chế sản phẩm